馬自達汽車公司的新型Skyactiv-G 汽油機

【日】 Tsuyoshi G Ritarou I Masahisa Y Masami N

0 前言

馬自達汽車公司預測，到2020 年，內燃機在汽車動力裝置中仍將占主導地位。在這一背景下，應該優先提高內燃機的效率，因為這能對環保型汽車產生最大的市場效果。

馬自達汽車公司認同這樣的觀點：無論是汽油機，還是柴油機，在通往理想內燃機的道路上追求著相同的開發目標。為使這2類發動機更接近這一目標，該公司已對2種發動機進行了取長補短，并進一步提高兩者的強化程度（圖1）。為此，新開發了2種發動機，即2.0 L Skyactiv-G 自然吸氣汽油機和2.2 L Skyactiv-D 增壓柴油機。將來，這2 種機型有可能投放歐洲市場。

1 Skyactiv-G 汽油機的開發目標

與柴油機相比，汽油機在壓縮比和節流損失方面存在缺陷，因此，為使汽油機接近理想的燃燒方案，首先必須改善上述情況，并進一步擴展其機械損失方面的優勢。

在這一背景下，馬自達汽車公司確定了Skyactiv-G 汽油機的總體技術目標。與目前馬自達汽車公司的進氣道燃油噴射（PFI）汽油機相比，在新歐洲行駛循環（NEDC）中，燃油耗降低了15%，而在整個轉速范圍內功率提高了15%。為了達到上述指標，Skyactiv-G 汽油機制定了如下技術目標：（1）將壓縮比提高到14.0；（2）為了能達到極高的壓縮比，采用自然吸氣機型；（3）雖然采用高壓縮比ε＝14.0，但不延長燃燒持效期；（4）減少節流損失20%；（5）減少機械損失30%；（6）提高充氣效率10%。

2 高壓縮比汽油機面臨的挑戰

開發高壓縮比汽油機遇到2 個前所未有的困難：（1）在高負荷時爆燃傾向增大，必須調晚點火定時，這將會降低發動機的扭矩；（2）在環境溫度較高和辛烷值較低的情況下，提前著火的危險性增大。因此，最重要的任務是要防止出現非正常燃燒（爆燃，提前點火）。

3 爆燃引起的功率損失

圖2示出了在開發初期采用的傳統技術，以及當壓縮比ε從11.2提高到14.0時缸內直接噴射汽油機的功率損失。此時，1 500 r/min時的點火定時不得不被明顯推遲，導致扭矩損失7%，而這一扭矩損失仍比馬自達汽車公司最初預計的少，而且即使當壓縮比ε提高到15.0時，扭矩特性曲線也僅略有下降（圖2）。燃燒分析表明，由于壓縮比的提高，在點火前出現較弱的放熱反應（低溫氧化），從而導致了扭矩的下降。綜上所述，馬自達汽車公司得出結論：當爆燃問題解決后，也能確保高壓縮比汽油機獲得高扭矩。

高壓縮比時汽油機爆燃傾向增大是由于氣缸中氣體溫度和壓力升高的緣故。圖3示出了數值模擬的結果，以圖說明這2個參數的影響。進氣過程終了時，氣缸中較低的氣體溫度能夠補償因高壓縮比惡化而產生的爆燃傾向。

如果氣缸中的起始溫度（進氣門關閉時的氣體溫度）降低35 K，則壓縮比ε就能從11.2 提高到14.0，而1 500 r/min時的爆燃傾向不會惡化。對降低氣缸中起始溫度起關鍵作用的是燃油氣化熱的缸內冷卻作用，以及熱殘余廢氣量的減少。

總之，只要采取上述措施，無論是充氣效率，還是爆燃傾向，都可以獲得顯著改善。此外，快速燃燒也能有效降低爆燃傾向，以下介紹與此有關的措施。

4 快速燃燒降低爆燃傾向

開發初始階段，曾應用過傳統的平頂活塞，為了提高壓縮比，簡單地將活塞頂抬高成梯形，然而這樣的做法導致了熱效率較低，因為最初的火焰前鋒碰到活塞是極為不利的，因此冷卻損失增大，而且阻礙了火焰按常規有序地擴展。首先，在活塞頂上挖1個半球形凹坑，這有利于火焰前鋒的擴展（圖4）。經過改進后，1 500 r/min時的主燃燒持效期（混合氣燃燒10%～90%（質量分數））縮短了1°CA，同時爆燃傾向也減小了，從而使扭矩提高約2%。

為了進一步改善燃燒過程，對進氣道的進氣角度和進氣門閥桿與閥盤之間過渡圓弧處的錐角進行了優化，而且與現有的馬自達2.0 L 汽油機相比，氣缸直徑從87.5 mm 縮小到83.5 mm，從而使燃燒持效期再縮短2°CA，扭矩又提高了4%。

5 燃油氣化熱降低爆燃傾向

為了通過燃油氣化熱有效地降低氣體溫度，將1 500 r/min時的燃油壓力提高到10 MPa，并應用了6孔噴油嘴（多孔噴油嘴），同時優化油束貴穿度和噴射角。缸內溫度分析表明，由于采用多孔噴油嘴進行分段噴射，獲得了良好的溫度分布，而且起始溫度降低了6 K。這些效果能夠減小爆燃傾向，從而使扭矩提高3.5%。

復自小徑，別至一山，俗名鵝鼻山。……山頂有石如屋大，中開，插一碑于其中，文皆為風雨所剝，隱約就碑，可見缺畫，如禹廟沒字碑之類。不知此石果岑石歟？非始皇之力，不能插也。或云大篆，或云小篆，皆不可考。

6 充氣效率和抗爆燃性能的改善

馬自達汽車公司竭力改善掃除熱殘余廢氣的效果，以提高充氣效率，從而在高壓縮比汽油機上能同時利用良好的抗爆燃性能來提高發動機扭矩。在使用現有的4-1 排氣歧管的情況下，殘余廢氣的份額占6.7%。若要將殘余廢氣的份額降至3.9%，則須把缸內起始溫度降低18 K，它可使充氣效率提高9%。從圖3可知，起始溫度降幅的效果等同于壓縮比減小1.5的效果，因此，這種方案能提高發動機扭矩目標值。

為了獲得高的掃氣效果，優化排氣系統是最為有效的措施。如果在進、排氣門重疊期間強烈的廢氣壓力波精確地抵達下一個氣缸，熱殘余廢氣量就會增加，從而增大了爆燃傾向。為了即使在2 000 r/min以上轉速時也能避免出現這一現象，采用了較長的4-2-1排氣歧管。

為了獲得良好的掃氣效果，需要在氣門重疊期間形成稀薄低壓壓力波。通過排氣系統的適當設計及其相匹配的氣門重疊相位，能夠在寬廣的轉速范圍內獲得良好的掃氣效果（圖5），從而使抗爆燃性能和充氣效率分別改善9%，發動機扭矩再提高7.5%（圖4）。

圖6示出了2.0 L Skyactiv-G 汽油機的扭矩特性曲線，及其缸內溫度和燃燒持續期經過改善后的效果，與傳統的2.0 L PFI汽油機相比，在整個轉速范圍內，發動機扭矩提高了15%以上，而與壓縮比ε為11.2 的缸內直接噴射機型相比，扭矩改善了10%。

7 抗提前點火的穩定性

特別是在不利的環境條件下，高壓縮比汽油機必須避免出現提前點火等非正常燃燒的現象，因此要開發一種高品質的調節系統，以防止提前點火。開發中應特別注思以下幾點：（1）環境條件（進氣溫度和濕度、冷卻液溫度、因積炭使壓縮比提高、辛烷值等）；（2）影響參數（噴油規律、進氣門關閉時刻等）的有效性。馬自達汽車公司制定了一種調節策略，它能在所有可預料到的環境條件下相對于發生提前點火保持足夠大的安全裕度。

假如某些狀態迫使實施提前點火，那么，Skyactiv-G 汽油機功能強大的調節系統就能通過離子流的變化而識別出燃燒模式的輕微變化，然后加濃空燃比，并改變進氣門關閉時刻，以阻止繼續發生提前點火。

8 排氣后處理裝置的開發

應用了較長的4-2-1排氣系統之后，催化轉化器的預熱并不比傳統較短的4-1排氣系統和近發動機催化轉化器快，因而延長了廢氣開始凈化時間。此外，未燃碳氫化合物（HC）份額也隨著壓縮比而增加，因此，鑒于未來更為嚴格的廢氣排放法規，必須開發一種更有效的技術。因為未燃HC 首先排出，因而在催化轉化器達到其工作溫度之前，重要的是要使其迅速加溫，直到HC排放減少。

為了減少預熱階段的HC 排放，馬自達汽車公司將起動時的燃油壓力從0.43 MPa提高到6 MPa，從而將冷機階段的HC排放水平降低了50%。為使催化轉化器迅速加溫，有效的方法是通過晚點火提高廢氣溫度。當然，點火太晚會導致燃燒不穩定，因此，應限制廢氣溫度的提高。在Skyactiv-G 汽油機上，缸內燃油直接噴射在火花塞附近形成了理想的空燃混合氣，能夠實現稀薄的分層燃燒。這樣的效果及因高壓縮比而具有高的燃燒穩定性明顯緩和了晚點火與燃燒穩定性之間的目標沖突（圖7）。因此，即使采用較長的4-2-1排氣歧管，馬自達汽車公司仍達到了催化轉化器的快速加溫和穩定燃燒。上述的廢氣凈化系統甚至滿足了美國標準部分零排放車輛的嚴格要求。

9 降低燃油耗

圖8示出了Skyactiv-G 技術對在NEDC 中降低燃油耗作出的貢獻。對于中級轎車而言，與現有的2.0 L PFI汽油機相比，燃油耗共降低了15%。

10 提高壓縮比和降低節流損失的效果

在試驗研究初期，采用ε＝13.0 以上的壓縮比并未達到進一步降低燃油耗的目的，其原因是平的活塞頂靠近火花塞，阻礙了初始火焰的擴展。馬自達汽車公司采取半球形活塞頂凹坑與強滾流相結合的措施，使得火焰能良好地擴展，這就有效地減少了全負荷時的扭矩損失。另一方面，由于初始火焰在活塞頂面附近的熱傳導減少，冷卻損失也同時降低，再因缸徑縮小又進一步降低了冷卻損失，使得熱效率明顯提高。

節流損失的明顯降低也要歸因于壓縮比的提高。降低節流損失的傳統方法是將推遲進氣門關閉時刻與外部廢氣再循環相結合，由于此時燃燒的穩定性差，因而節流損失的降低非常有限。但是，在Skyactiv-G 汽油機上，因提高了壓縮比，即使進氣門關閉時刻推遲，仍能確保足夠有效的壓縮和內部廢氣再循環。雖然因進氣門在110°CA 時關閉，提高了內部廢氣再循環，以及借助于可變氣門機構加大了氣門重疊，但最終仍獲得了與傳統PFI汽油機相同的燃燒穩定性（圖9（a）），從而能使節流損失降低約20%（圖9（b））。

11 降低機械損失

與現有馬自達汽車公司的2.0 L PFI汽油機相比，Skyactiv-G 汽油機的機械損失降低了30%。圖10示出了發動機零部件優化對降低機械損失作出的貢獻：（1）關于曲軸、活塞及連桿（圖10（a）），主軸頸直徑從52 mm 減小到47 mm，活塞環張力減小了38%；（2）關于氣門機構及正時鏈條（圖10（b）），應用滾輪搖臂，通過優化凸輪廓線降低氣門升程力，采用剛度高的直導軌降低鏈條摩擦，采用載荷分布均勻的鏈張緊器減小鏈條張力；（3）關于機油泵（圖10（c）），簡化機油管路降低壓力損失，將液壓部件所需的機油壓力減小到最低程度以使泄流較少，采用壓力可變的電動調節式機油泵降低部分負荷時的機油壓力；（4）關于水泵（圖10（d）），降低冷卻液管路中的阻力，采用高效率水泵和塑料水泵傳動輪。

12 結語

Skyactiv-G汽油機是馬自達汽車公司新一代動力總成的首臺汽油機機型，其燃油耗降低了15%，因在整個轉速范圍內其扭矩比現有的PFI汽油機提高了15%，故功率明顯提高。同時降低了成本及減輕了質量。

自然吸氣汽油機采用14.0的高壓縮比設計方案是技術的制高點，它使發動機能夠獲得卓越的總效率。為了克服至今阻礙采用高壓縮比的困難，已采取了許多技術措施。

馬自達汽車公司推出了2.0 L Skyactiv-G汽油機，它滿足了歐洲用戶對于進一步提高動力性能、環保性和經濟性等各方面的要求，因此，馬自達汽車公司能夠為未來新一代轎車提供一種具有競爭力的動力裝置。